Свидетельства существования «скрытого» крупномасштабного электрического поля Ех в тонких

токовых слоях.

Л.М. Зелёный,

А.В. Артемьев, А.А. Петрукович,

Институт Космических Исследований, РАН

Тонкий токовый слойПересечение ТТС: показано, что сумма токов ионов и электронов относительно хорошо соотносятся с током rotB

Функция распределения протонов состоит из двух частей: холодное ядро и горячие ассиметриченые фланги.

Профиль плотности тока соответствует профилю из модели ТТС

Соотношение между ионными и электронными токами

Runov et al. 2006

Artemyev et al. 2009

Israelevich et al. 2008

Основной ток в ТТС переносят электроны!

Плохая корреляция тока rotB с током ионов!

jp je jp+je

Статистика из 60 пересечений ТТС

4/c(je+ji)~rotB

je>>jiAsano et al. 2005, Runov et al. 2006, Israelevich et al. 2008, Artemyev et al. 2009

Данный результат противоречит основным теоретическим моделям:

Ti>>Te

i>>e

ji>>je

Составляющие электронного тока

Диамагнитный дрейф:

Дрейф кривизны + ток намагничивания + ток за счёт неоднородности магнитного поля:

ExB дрейф:

DM Ce e ey ej en v en V V V E B

DM 2 2 28x e e

e e yl

cB p pcen V p j

B B z B

B

Плотность тока в горизонтальных ТС: 4jy/c=Bl/z

2

C 4 4

4 e e z

e e e y

p p Bcen V p p j

B B

B B B

2 2

z x x ze e e

E B E Ben V en en

B B

E B

E B

Средние значения потоковой скорости электроннов

Оценка роли диамагнитного дрейфа и дрейфа кривизны

Диамагнитный дрейф вместе с дрейфом кривизны могут обеспечить только половину наблюдаемой потоковой скорости электронов

VDM, <VDM>~20 km/s

VC, <VC>~20 km/s

Более чем в 75% ТС анизотропия электронов порядка 25%!

Дрейф ExB и геометрия токового слояПосле вычитания дрейфа кривизны и диамагнитного дрейфа из потоковой скорости электронов остается величина порядка -40 км/с, которую можно объяснить только дрейфом ExB!

Ez и Bx обращаются в ноль в центре ТС: дрейфа EzBx~0

2z x x zE B E B

VB

E×B

Для описания остаточного дрейфа электронов необходимо Ex > 0

Величина Ex порядка 0.15 мВ/м

VExB=Vye-VDM-VC

<VExB>=-40 km/s

Лабораторный экспериментLaboratory evidence of Earthward electric field in the

magnetotail current sheet.S. Minami, A.I. Podgorny and I.M. Podgorny

GRL, 1993

Ex направлено к Земле

Влияние Ex на функцию распределения протонов

У большинства распределений присутствует сдвиг

ядра (< 1kev) в область отрицательных скоростей

Ex=0

Ex>0

max

3

0

E

y y iv v f d v

Сдвиг ядра распределения указывает на наличие

Ex=0.1mV/m

-cEx/Bz

Модель поля Ex в токовом слое

Анизотропный тонкий токовый слой: 1D

x

zEII

E

d/ds =F(s)sr/tan()

r1

2

2=1+F(s)s

E=-(2-1)/r

E=-F(s)s /r

E=-F(s)/tan()

Ez=EIIsin()+Ecos()

Ex=-EIIcos()+Esin()

EII=-F(s)

Ez=-F(s)/sin()Ex=0

and

EZ

Анизотропный тонкий токовый слой: 2D

Bz/x>0z

x

a b

a0b0

a b 2 21a x zas z B z B z

2 21 , zb x zb zb za

Bs z B z B B B x

x

2 2

2 2

ln

1

x za z

x z

B z Bs Bz

x x B z B

2 2

2 2

ln

1

zLx zz

x

z x z

z B z BBE z dz

x s B z B

2

2 2

ln zLxz

x zz xz

B zBE z E z dz

x B B z

~ z

x zx

LE E

L

e/T

e

0.8

0.4

0.0

-0.4

-0.8

Перепад потенциала через слой

Степень анизотропии электронов

Zelenyi et al. 2004

e eT T

e eT T

Перепад потенциала через слой

~0.5Te/e

~ 0.5 ez

z z

TE

L eL

~ 0.5 ex

x

TE

eL

При Te=1keV и Lx=10RE

~ 0.1mV mxE

Двойная структура распределения протонов и поле Ex

~ 0.5 ex

x

TE

eL

i wing wing D full wing Dj n v v n n v

0 01 1p p eDi i i

wings wings wings i

n n Tvj j j

n v n T

~wing Tiv v

0i wing wingj n v

Если асимметрия флангов связана с движением ионов по спайсеровским орбитам

~ 0.5x eD

z x z

E cTv c

B eL B

full wing coren n n

При np/nwing~5 и Ti/Te~3-6 наблюдаемый ток ионов ji оказывается намного меньше тока j0i

Asano, Mukai et al. 2003

Profiles of the curlometer current m-component (black) and the corresponding proton current jp~NpVpy at Cluster 1 (red) and 4(blue) versus Bx/BL.

Runov et al. 2006

Выводы:• Величины потоковой скорости электронов

и сдвиги ядер функций распределения ионов по данным Cluster указывают на присутствие в хвосте земной магнитосферы поля Ex~0.15 мV/м

• Теория ТТС, учитывающая слабую неоднородность по Х, позволяет получить Ex~0.1 мВ/м

• Существование «скрытого» поля Ex позволяет объяснить кажущееся доминирование электронных токов в спутниковых наблюдениях